基于SiC宽禁带半导体探测器的大电流百倍增益光电探测器

技术领域

本发明属于光电探测和核辐射探测领域，具体涉及一种适合强脉冲辐射场测量的大电流百倍增益光电探测器。

背景技术

闪烁探测器是脉冲中子、脉冲伽马测量非常重要的一类探测器，其利用光电探测器测量射线与闪烁体作用产生的荧光实现射线粒子的探测。闪烁探测器的灵敏度、时间响应等关键性能参数一方面取决于闪烁体材料，另一方面主要依赖于所采用光电探测器。脉冲辐射场测量对光电探测器的时间响应、放大倍数、线性电流等参数有特殊需求。在强脉冲辐射场测量中，辐射场强度随时间变化可能超过数个量级，为实现这么宽量程范围内强度的准确测量，通常采取多个不同灵敏度的探测器进行量程搭接。在闪烁体材料确定的情况下，通过采用不同增益的光电探测器进行灵敏度调节是比较方便的。除此之外，脉冲测量要求探测器工作在线性范围内，期望每一个探测器有较宽的线性范围，即要求所采用的光电探测器有较大的线性电流，这有利于量程搭接和控制探测器数量。

虽然光电探测器的种类非常多，包括真空光电二极管、光电倍增管、光电导探测器、半导体二极管、雪崩二极管等，但是适合脉冲辐射场测量闪烁探测器制作的主要还是真空光电二极管和光电倍增管，真空光电器件阴极有效面积大，比较容易与闪烁体耦合。其中，真空光电二极管没有增益，比较适合强光探测，其最大脉冲响应线性电流可以达到10安培以上。打拿极或者微通道管型光电倍增管利用电子倍增实现信号放大，增益可以达到10⁶以上，可实现单光子探测，但是光电倍增管的最大脉冲响应线性电流不高，一般在100～200mA左右，很难达到安培级。常用的光电管和光电倍增管之间存在万倍以上的增益差异，受探测器自身测量能力的限制，光电管和光电倍增管的测量范围之间难以很好地衔接，存在约100倍的差距。为解决现有的技术困难，迫切需要一种增益在百倍左右、最大线性电流达到安培级以上的光电探测器，以弥补光电管与光电倍增管之间的断档。

发明内容

为获得百倍增益大线性电流光电探测器，本文提出了一种基于SiC宽禁带半导体探测器的混合型光电探测器，与传统的光电倍增管采用电子倍增实现电子数目放大不同，本发明利用SiC探测器对能量在keV量级电子的响应特性，获得百倍左右增益，同时获得1安培以上的脉冲响应最大线性电流，能够很好地解决当前光电管和光电倍增管之间的衔接问题。

本发明的技术解决方案是提供一种基于SiC宽禁带半导体探测器的大电流百倍增益光电探测器，其特殊之处在于：包括真空腔体及位于真空腔体内部的SiC探测器；

上述真空腔体的一侧为入射窗，入射窗内侧覆盖有光电阴极，与入射窗相邻的真空腔体两个内侧分别设有金属电极作为电子聚焦极，光电阴极与金属电极之间通过电阻连接；

上述SiC探测器位于与入射窗相对的真空腔体内侧，SiC探测器的入射面电极接地，出射面的电极引出真空腔体，其引出信号通过交流耦合输出。

优选地，上述SiC探测器，是基于SiC材料的肖特基极二极管或者PIN二极管，工作在反偏状态。

优选地，SiC探测器入射面电极层的厚度小于100纳米，探测器灵敏层厚度介于5微米至100微米，探测灵敏区直径为1毫米至40毫米。

优选地，光电阴极采用双碱、多碱或砷化镓等光敏材料。

优选地，上述真空腔体包括壳体及基座，上述SiC探测器固定于基座上。

优选地，SiC探测器固定在基座中心位置处。

优选地，外壳采用石英玻璃，基座为陶瓷材料。

优选地，本发明器件内部为密闭真空环境，真空腔体的真空度优于10^-3Pa。

优选地，SiC探测器灵敏区直径Φ5mm，灵敏层厚度20μm，光阴极直径Φ25mm。

优选地，在光电阴极上可加载5000至20000伏的负高压。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用SiC探测器对能量在keV量级快电子的优异响应特性，获得百倍量级的电荷增益，同时通过调节电子加速电压，可以非常方便地实现器件增益在几十倍至几百倍的范围内调节；

2、SiC是一种宽禁带半导体材料，与传统的硅器件相比有更好的耐辐照特性，以SiC探测器作为快电子探测器，因而可以获得比较长的使用寿命；

3、本发明具有非常好的脉冲响应线性特性，传统光电倍增管最大线性电流主要受限于空间电荷效应，电子收集不完全，从而出现非线性。与光电倍增管利用电子倍增实现信号放大不同，本发明利用高压电场使电子获得keV量级的能量，在与半导体器件作用之前电子数目并没有倍增。本发明的线性电流主要取决于所采用的SiC器件的线性特性。SiC器件的线性电流与器件的面积、厚度、外加高压等有关，线性电流很容易达到安培级；

4、本发明最大线性电流在1安培以上，比一般的光电倍增管高一个量级，如采用耐高压大面积SiC探测器，最大线性电流可以达到5安培以上；

5、本发明具有较快的时间响应，如采用小面积SiC探测器，探测器的脉冲响应时间可以达到亚纳秒。

附图说明

图1为实施例中光电探测器结构示意图；

图2为实施例中光电探测器工作过程示意图；

图3为实施例实验结果图。

附图标记如下：1-SiC探测器，2-入射窗，3-外壳，4-基座，6-聚焦极，5-光阴极。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明提出基于SiC宽禁带半导体探测器的混合型光电探测器，该探测器具有百倍左右增益，同时具有安培级脉冲线性电流，纳秒量级的快时间响应，适合强脉冲辐射场测量。

从图1可以看出，本发明光电探测器主要包括由壳体及基座构成的真空腔体和位于基座中心位置的SiC探测器，与探测器相对的壳体上为入射窗，入射窗内侧(即与探测器相对的一侧)覆盖有光电阴极，与入射窗相邻的两个壳体内侧分别设有金属电极，光电阴极与金属电极之间通过电阻连接；SiC探测器面向入射窗的入射面电极接地，背向入射窗的出射面的电极引出真空腔体，其引出信号通过交流耦合输出。具体实施例中SiC探测器，是基于SiC材料的肖特基极二极管或者PIN二极管，工作在反偏状态，SiC探测器入射面电极层的厚度小于100纳米，探测器灵敏层厚度介于5微米至100微米，探测灵敏区直径为1毫米至40毫米，光电阴极采用双碱、多碱或砷化镓等光敏材料。真空腔体的外壳采用石英玻璃，基座为陶瓷材料。

图2为本发明大电流百倍增益光电探测器的工作过程示意图，闪烁体或其它光源发光经入射窗与光阴极作用产生光电子，光电子经光阴极与SiC探测器之间的电场(即加速电场)加速以及汇聚作用后与SiC探测器作用，沉积能量，在SiC探测器内部产生大量的电子空穴对，电子空穴对在SiC探测器两端电压作用下向两级扩散，形成电流脉冲信号输出。

光电子在一千至几万伏的电场作用下，可以获得keV至几十keV的能量，被加速的电子与SiC探测器作用，在其走过的径迹附近电离产生电子空穴对。对于SiC材料，射线在材料内沉积能量产生电子空穴对所需的平均能量为7.78eV左右，因此，对于几keV能量的电子，能量全部沉积，可以产生几百对的电子空穴对，从而实现电荷数目的百倍放大。通过改变加速电场的外加电压，可以控制加速电子的能量，实现对器件放大倍数的控制与调节。

需要指出的是，SiC探测器入射面存在一层死层，电子在死层内沉积的能量对于信号是没有贡献的，电子需穿越死层抵达SiC探测器灵敏区才能形成信号，因此要求所采用的SiC探测器的死层不能太厚，本发明所采用的SiC探测器的死厚度需控制在百纳米以内。同时，电子的能量也不能太低，为保证信号稳定可靠，通常加速电压需要在2kV以上。

大线性电流是本发明大电流百倍增益光电探测器区别于一般光电倍增管的重要特征。由于空间电荷效应，打拿极或微通道板型的光电倍增管在大信号输出时出现非线性。本发明最大脉冲响应线性电流主要取决于SiC探测器的性能，如采用大面积、耐高压的SiC探测器，线性电流可以达到5安培以上。

本发明大电流百倍增益光电探测器的时间响应速度主要取决于光电子加速、聚焦过程中的飞行时间弥散以及SiC探测器的时间响应。为保证器件较快的时间响应，需要减小光电子加速、聚焦过程中得时间弥散，采用快响应的半导体探测器。一般来讲，减小光阴极面积，加强外加电场，对于减小电子飞行时间弥散是有利的。

作为实施例，我们制作了基于SiC器件的大电流百倍增益光电探测器原型器件。其中，SiC探测器采用肖特基节结构，灵敏区直径Φ5mm，灵敏层厚度20μm，光阴极直径Φ25mm。该原型器件在加速电压5kV条件下，放大倍数达到200倍，与设计基本一致，见图3。

该原型器件已被用于与闪烁体组合构成新的闪烁探测器，并用于脉冲中子、伽马辐射场测量和诊断相关研究。